JP3593237B2 - 振動子の支持装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジャイロスコープなどに使用される音叉型などの振動子が基板に支持される支持装置に係り、特に、振動子の実装部を薄型とすることができる振動子の支持装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
振動型ジャイロスコープなどとして使用される振動子は基板に実装され、この基板に実装されたICなどと共にパッケージされる。
図5はこの種の振動子の支持装置の従来の構造を示す分解斜視図、図6は図5のVI−VI線断面図、図7はその他の振動子の支持装置の構造を示す断面図である。
図5及び図6に示す支持装置では、振動子1が弾性部材2に保持され、金属板などで形成された支持部材4で前記弾性部材2が基板5に押圧され、支持部材4の固定カシメ部4c,4cを基板5に穿設された保持穴5b,5bに挿入した状態で取付けられている。よって、振動子1は基板5上において弾性的に支持されていることになる。
【0003】
また、振動子1の表裏面に形成された駆動用および検出用の電極Eと、基板5に形成されたランド部5aとの間を接続する弾性コネクタ3が設けられている。この弾性コネクタ3には、配線導体3aと3bが埋設されており、弾性コネクタ3に挟持された振動子1の表裏両面の電極Eは、それぞれ配線導体3aと3bに接続されている。また配線導体3aと3bの下端部は基板5に形成されたランド部5aにそれぞれ接続されている。この弾性コネクタ3は支持部材4により押圧されており、この押圧力により弾性コネクタ3が弾性収縮させられ、振動子1の電極Eと各配線導体3a、3bとが圧接され、且つ配線導体3aと3bと基板5のランド部5aとが圧接されている。
【0004】
図7に示す支持装置では、前記振動子1が弾性部材2aと2bとで挟持されて、支持部材4で押圧されている。この場合の配線構造としては、振動子1に表裏両面に形成された電極Eと、基板5に設けられたランド部5aとがリード線(ワイヤー)3cで接続されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図6(若しくは図5)と図7に示す振動子の支持装置では、基板5上において、振動子1の基端部が、弾性部材2または2a,2bにより支持されて、支持部材4で押圧されているために、基板5の上に振動子1および支持部材4が突出する形状である。しかも基板5の他面側には、支持部材4の固定カシメ部4cが突出する形状である。よって、基板5上の高さ寸法Hが大きく、全体として薄型化ができない。
【0006】
また振動子1の本体部分は、基板5と平行で、且つ弾性部材2、2a,2bおよび支持部材4から突出している。音叉型の振動型ジャイロスコープなどの振動子1は圧電セラミックなどの脆い材料で形成されているが、図6と図7に示すものでは、製造工程または部品管理工程において、外力が振動子1に作用しやすく、振動子1に折れなどが生じ、不良製品が発生しやすい問題点がある。
【0007】
また、図6に示す支持装置では、絶縁性のシリコンゴムなどの弾性コネクタ3が断面形状がコの字状となるように形成され、その上顎部と下顎部内に配線導体3aと3bが埋設された構造であるため、弾性コネクタ3の製造工程が複雑であり、配線に要するコストが高くなる。
【0008】
また、弾性コネクタ3は支持部材4による押圧力により、振動子1および基板5に圧接されて、配線導体3aと3bが電極Eおよびランド部5aに点接触されている。そのため、使用温度範囲(−30°C〜+80°C)で低温側(−30°C)と高温側(+80°C)で弾性コネクタを構成するシリコンゴムの弾性係数に差が生じ、配線導体3a、3bと、電極Eまたはランド部5aとの間の点接触による接触抵抗が極端に変化し、振動型ジャイロスコープなどの振動子1からの検出信号が不安定になるという問題が生じる。
【0009】
また、図7に示すように、リード線3cによる接続配線構造では、リード線3cと、振動子1の電極Eとの接続部が、支持部材4により囲まれた閉鎖空間内に位置しているために、振動子1の電極Eと、基板5のランド部5aとの間を、自動ボンディング作業で接続することができず、配線作業が非効率的であり、製造コストが高くなる。
【0010】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、基板に振動子が支持された状態で全体を薄型にでき、また組立作業中などに振動子の本体部分に手が触れたり外力が作用しにくくして、振動子の保護機能を向上できるようにした振動子の支持装置を提供することを目的としている。
【0011】
また、本発明は、環境温度によって接触抵抗の変化が生じにくく、また自動ボンディング作業にも適した振動子の支持装置を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、駆動及び検出用の電極が設けられた振動子が、支持部材を介して基板に形成された切欠部内に支持されている振動子の支持装置において、
前記振動子の電極と、前記基板に設けられた接続部とが、弾性コネクタに形成された配線導体を介して導通接続されており、この弾性コネクタが前記支持部材により前記電極および接続部に押圧されていることを特徴とするものである。
【0013】
上記において、前記振動子が、前記切欠部内において基板の板厚寸法内に納められていることが好ましい。
【0014】
また、前記振動子と前記支持部材との間に弾性部材が介在しており、前記弾性コネクタが、前記基板と前記支持部材との間および前記振動子と前記支持部材との間に介在しており、前記支持部材が前記基板に固定されているものとすることができる。
【0015】
上記において、前記振動子の表面と前記支持部材との間に位置する前記弾性部材の高さ寸法よりも、前記弾性コネクタの高さ寸法の方が大きいものが好ましい。
【0016】
本発明における振動子の支持装置は、振動子と基板とが同程度の板厚で形成されており、基板内に設けられた切欠部内でこの振動子を中空状態で支持する構造となっている。よって、振動子を基板の板厚内に収容することができ、基板上に露出される支持部材等を含めた板厚方向の高さ寸法を低くすることが可能で、パッケージングしたユニット全体の薄型化を図ることができる。
【0017】
また振動子を支持する支持部材の基板への固定は、支持部材の支持腕を基板に直接半田付けするか、あるいは支持腕先端に設けた係止部を基板に穿設した貫通孔内に挿入して半田付けする構造であり、振動子の安定した支持が可能である。
【0018】
また、本発明では、振動子の基端部の終端まで電極を形成し、且つこの基端部に近接する基板側にランド部などの接続部が形成されたものとなっている。よって、振動子の表裏両面と基板の表裏両面とをほぼ同一面にすると、この振動子の基端部の電極と基板側の接続部との間に、板状の弾性押圧部材に配線導体を設けた弾性コネクタを載置することによって容易に接続することができる。しかもこの弾性コネクタに設けられた配線導体は、振動子の電極と基板側の接続部との間を直線的に接続するものであるため、配線導体と電極及び接続部とが点接触ではなく、線接触又は面接触とすることが可能である。よって、環境温度の変化が生じた場合であっても、接触面積が従来に比べ拡大されることから、一定の接触抵抗を維持することができる。
【0019】
なお、前記弾性コネクタは、例えば図3に示すように支持部材を分割可能とし、押え部材の上板と振動子及び基板の表面の間、および受け部材の底板と振動子及び基板の裏面の間に挟持した状態で、押え部材と受け部材とを連結することにより、より強固に固定することが可能である。
【0020】
上記の発明では、基板の切欠部に設けられる振動子は、板状形状のものが好ましいが、円柱形状や角柱形状の振動子を用いたものでも可能である。また本発明での弾性コネクタは、シリコンゴムなどの弾性材料で形成されることが好ましいが、支持体が合成樹脂などのやや硬質な材料により形成されていてもよい。
【0021】
また本発明の弾性コネクタを用いたものでは、弾性コネクタが振動子の基端部を上下方向から挟み込む構造にできるため、振動子の支持を補助するものとすることができる。またこの弾性コネクタに配線導体が設けられているため、振動子の周囲の空間にリード線を配線する必要がなくなる。またリード線を電極に半田付けする作業も不要となる。
【0022】
また、振動子の電極と、基板の接続部(ランド部)とを、ほぼ同一面にできるため、電極と接続部とを自動ワイヤボンディングにより接続することも可能であり、配線作業の自動化が可能である。
【0023】
また、切欠部内に振動子が支持されていることから、基板に振動子を支持固定した後に振動子に機械加工を施すことが可能となる。従って、基板に形成されている駆動回路や検出回路を用いて振動子の共振周波数の調整を行なうことができる。よって、より正確な周波数の設定を行なうことができる。
【0024】
また、従来においては支持部材と弾性コネクタとにより、基板に余計な応力が加わって基板が変形してしまうため、検出出力が変動してしまうといったことがあった。しかし、本発明においては支持部材と弾性コネクタとによる基板への応力はほとんど生じないため、検出出力の変動を抑えることができる。
【0025】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
図1は、振動子とその支持構造を示す斜視図である。
図1に示す振動子11は、所定の方向に分極形成された圧電セラミックスなどの圧電素子から構成され、その先端が3つの振動腕11a,11b,11cに分岐形成されたものである。また、振動子11の表面および裏面(図示しない)には、長手方向に延びる複数の電極Eが各振動腕上に形成されている。この電極Eは、駆動及び検出用の電極であり、例えばスパッタリングなどにより、振動子1の全面に導電層を薄膜形成した後、不要な部分をフォトエッチングなどの手段で除去することにより形成したものである。そして、絶縁性且つ衝撃吸収作用を奏するシリコンゴムなどの直方体形状に形成された弾性部材12が設けられ、その直方体の一部に長方形状にくり貫かれた挿通角孔(保持角孔)12A,12Aが形成され、この中に振動子11が挿嵌されて振動部材Bが構成されている。また、振動子11の基端部11dは、Z軸(+)側の挿通角孔12Aからそのまま露出している。
【0026】
一方、この振動部材Bを固定する基板15には、切欠部15aが形成されている。この切欠部15aは、基板15がU字形状に切り欠かれて、基板15の縁部の一端が開口しているものである。または切欠部15aが、基板15に形成された矩形状の穴または楕円形状の穴などであってもよい。
基板15のZ軸(+)側の表裏両面には、振動子11に形成された電極Eに対応する接続部(接続ランド部)16が銅箔などによりパターン形成されている。また切欠部のX方向の両端には、支持端子15b,15b(一方は、図示されない)が、銅箔などによりパターン形成されている。
【0027】
振動子部材Bは、同図に示すような支持部材17によって支持される。この支持部材17は、薄い金属板を所定の形状に打ち貫き、打ち貫き後の金属片を折曲げ加工して形成されている。すなわち、支持部材17は、天板17aから側板17bが3つに分割され、両端の17b,17bは下方(Y軸(−))に折り曲げられている。また、残った側板17b,17bの中央部分は、側方(X軸方向)にそれぞれ折り曲げられて支持腕17c,17cが形成されている。さらに側板17b,17bの先端部分は、内方向に折り曲げられ4本の脚部17d1,17d2,17d3,17d4が形成されている。
【0028】
振動部材Bは、弾性部材12が前記天板17a、側板17b,17bおよび4本の脚部17d1,17d2,17d3,17d4に囲まれた保持空間17A内に嵌合され、前記4本の脚部17d1,17d2,17d3,17d4をさらに折り曲げられて挟持される。なお、支持をより強固とする必要がある場合には、脚部17d1と17d2および17d3と17d4の先端どうしを半田付けしてもよい。そして、支持部材17Bは、支持腕17c,17cの部分を前記支持端子15b,15bに半田付けすることによって固定される。
【0029】
図2(A)は、図1のI−I線断面図、(B)は図1の平面図である。
図2(A)に示されるように、振動子11の板厚t1は、基板15の板厚t0と同程度か、わずかに基板15の板厚t0の方が厚くなっている。よって、天板17aからの支持腕17c,17cの折曲線17eの長さS(図1参照)を適宜に設定することにより、基板15の板厚t0内に振動子11を収納することが可能である。このように設定することにより、振動子11(板厚t1)は、基板15の板厚t0に収容することができ、基板15から高さ方向に露出されるのは、振動部材Bの振動子11を除いた、上下の弾性部材12および支持部材17の寸法となる。よって、基板15に振動子11が支持されたユニット基板全体を薄型化することが可能である。
【0030】
また、図2(A),(B)に示されるように、振動子11の基端部11d側と、基板15に形成された接続部16とは近接した位置とすることができる。よって、この間に例えばICの結線の際に用いられるワイヤーボンダー(自動ボンディング)の技術などを使用すれば、基端部11d側の電極Eと基板15側の接続部16とを極細のワイヤーWで容易に導通接続することが可能である。また、これにより、人為的な結線ミスの発生が防止され、作業効率および量産性を向上させることができる。
【0031】
図3は、振動子の他の支持構造を示す斜視図である。
図3においても、上記従来例および図2同様に振動子11が弾性部材12に嵌挿され、基端部11d側が挿通角孔12Aから露出されている。
図3では、支持部材が押え部材20および受け部材21から構成されている。押え部材20および受け部材21は、共に薄い金属板を所定の形状に打ち貫き、打ち貫き後の金属片を折曲げ加工して形成されている。押え部材20の上板20aの四隅からは、脚部20bがそれぞれ折り曲げられており、この脚部20bには切欠き20cがそれぞれ形成されている。また受け部材21の底板21aからは、図示上方(Y軸(+)方向)に延びる側板21b,21bが一体に形成され、この側板21b,21bの四隅には支持腕21cが水平(X軸)方向にそれぞれ折り曲げられている。さらに、各支持腕21cの先端からは、係止部21dが図示下方(Y軸(−)方向)に向かってそれぞれ折り曲げられている。
【0032】
一方、基板25には、切欠部25aが形成されている。また上記4つの係止部21dに対応する貫通孔がそれぞれ穿設され、その周囲は銅箔をパターン形成したランド部25bが形成されている。そして、受け部材21の各係止部21dを各ランド部25b内に挿入し半田付けすることにより、受け部材21を基板25に固定できるようになっている。また基板25の非開放端(Z軸(+))側の表裏両面には、振動子11の表裏両面に形成された電極Eに対応する複数の接続部(接続ランド部)26が銅箔などによりパターン形成されている。
【0033】
上記において、振動部材Bの弾性部材12は、押え部材20と受け部材21との間で挟持される。すなわち、受け部材21の底板21a上に振動部材Bの弾性部材12を載置し、さらに押え部材20の上板20aによって上方から弾性部材12を押え込む。この際、各四隅において脚部20bに形成された切欠き20cを係止部21dに挿入することによって、押え部材20を受け部材21に係止することが可能となる。そして、この第2の実施形態においても、基板25の板厚内に振動子11を位置させることにより、振動子11と基板25とをほぼ同一面に設定できるため、第1の実施形態同様に薄型化することが可能となる。
【0034】
このようにして支持された第2の実施形態では、基板25の接続部26に対し、振動子11の基端部11dの電極Eを近接した位置することができる。よって、接続部26と電極Eとを上記第1の実施形態同様にワイヤーボンダーによって接続することが可能である。
また、振動子の電極と基板の接続部とを以下に示すような方法で導通させてもよい。
【0035】
図4は、本発明の実施の形態として振動子の電極と基板の接続部との接続を示す斜視図である。
図4では、図3において示した支持部材を構成する押え部材20の上板20aおよび受け部材21の底板21aの一方がZ軸(+)方向に延長され、この延長部分に弾性コネクタ23,23がそれぞれ設けられている。弾性コネクタ23は、例えばシリコンゴムなどの絶縁性を有し、且つ衝撃吸収作用を奏する弾性押圧部材23a上に配線導体23bが設けられたものである。ただし、図5に示した弾性コネクタ3と異なり、弾性押圧部材23aは平坦な板状形状で構成されている。すなわち、板状の弾性押圧部材23aの上にZ軸方向に延びた配線導体23bの下半分が埋設されており、各配線導体23bはX軸方向に一定のピッチ(例えばピッチ幅0.18mm間隔ごと)で並設されている。そして、弾性コネクタ23,23は、ちょうど弾性部材12の挿通角孔12Aから図示Z軸(+)方向に露出される部分、すなわち振動子11の基端部11dに上下(Y軸)方向から圧接できるようになっている。
【0036】
押え部材20を受け部材21に係止すると、振動子11の基端部11dおよび基板25がほぼ同一面に設定されているため、弾性コネクタ23,23を基端部11dおよび基板25の表裏両面にそれぞれ均等に押圧させることができる。この際、配線導体23bは、基端部11dの電極Eおよび基板25の接続部26の両者に接触させることができるため、電極Eと接続部26とを導通接続させることが可能となる。
【0037】
なお、図4に示されるように、弾性コネクタ23の高さ寸法Pと振動子の表面から弾性部材12の上部面(又は下部面)までの高さ寸法Qとでは、少しばかり弾性コネクタ23の高さ寸法Pの方が高く設定しておくと、押え部材20を受け部材21に係止させた際に弾性部材12よりも弾性コネクタ23側の方が押え部材20および受け部材21によって強く押圧されることとなる。よって、振動子11の基端部11dおよび基板25に弾性コネクタ23を強固に押圧させることが可能となる。そして、配線導体23bは、基端部11dおよび基板25の表裏両面でしっかりと押圧されることとなる。すなわち、押え部材20に設けられた弾性コネクタ23の配線導体23bは、図示Y軸(−)方向から基板25の上面に形成された接続部26および基端部11dの上面の電極Eを押圧し、同様に受け部材21に設けられた弾性コネクタ23の配線導体23bは、図示Y軸(+)方向から基板25の下面に形成された接続部26および基端部11dの下面の電極Eを押圧することとなる。よって、電極Eと接続部26とは、配線導線23bを介して確実に導通接続させることができる。
【0038】
また、上述したように、弾性コネクタ23の配線導体23bは、例えばピッチ幅0.18mm間隔ごとに図示X軸方向にそれぞれ一列に設けられている(図4参照)。これに対して、振動子11の表裏の電極E及び接続部26の間隔は、前記ピッチ幅よりも広いピッチで形成されている。よって、一本の電極に対して、複数本の配線導線23bを介して、基板25側の所定の接続部26に導通接続させることができる。しかも、Z方向に所定の長さを維持して導通接続されるため、点接触ではなく、線接触さらには面接触とすることが可能である。よって、環境温度に変化が生じ、弾性押圧部材23aの弾性係数が変化した場合あっても、配線導線23bと電極Eおよび接触部26との間の接触抵抗を一定にした状態で支持することが可能である。
【0039】
また、上記構成の弾性コネクタ23は、従来の断面コの字状のコネクタに比べその構成を簡単とすることが可能となることから、コネクタの製造コストを大幅に削減することができる。さらに、上記のように弾性コネクタ23は、押え部材20および受け部材21の上板20a又は底板21aに載置できる形状に切断するだけでよいため、結線ミスが生じることもなく、所定の電極Eと接続部26とを確実に導通接続することができる。
【0040】
なお、上記第1の実施形態においても、第2の実施形態同様に弾性コネクタ23を使用することが可能である。すなわち、図1に示した天板17aおよび脚部17dをZ軸(+)方向に延長し、上記同様に折り曲げることにより、延長された天板17aと基端部11dの表面の間、および延長された脚部17dと基端部11dの裏面との間に隙間を形成することができる。よって、この隙間に第2の実施形態同様に弾性コネクタ23を介在させることにより、電極Eと接続部16とを導通接続することが可能となる。
【0041】
上記振動子11の駆動用の各電極に所定の交流電圧を印加すると、この振動子11の3本の振動腕はX方向へ駆動されるが、このときの振動位相は、両側の振動腕11a,11cと、中央の振動腕11bとで逆に設定される。すなわちある時点で両側の振動腕の振幅が+X方向のとき中央の振動腕の振幅は−X方向である。この位相にてX方向へ振動する振動子11がZ軸回りの回転系内に置かれると、各振動腕にコリオリ力によるY方向への振動が発生する。このときのY方向への振動では、両側の振動腕11a,11cと中央の振動腕11bとで位相が逆になる。すなわちある時点で、両側の振動腕の振幅方向が+Y方向であるとき、中央の振動腕の振幅方向は−Y方向である。これらコリオリ力は、検出用の電極(例えば中央の振動腕11bに形成された電極)により検出することができるが、この検出信号は上記ワイヤーW又は弾性コネクタ23を介して基板側に導かれ、この基板側で各種の加算や減算手段などの処理が行なわれ角速度が検出される。
【0042】
また、上記において、弾性部材12と弾性コネクタ23は、それぞれシリコンゴムなどのような同じ素材で形成することが可能である。よって、弾性部材12と弾性コネクタ23は、図4に示すようにそれぞれ別個独立したものであってもよいが、一体に形成されたものであってもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、振動子を基板上に取り付けたユニット基板を薄型化できる。
【0044】
また、振動子の電極と基板側の接続部との接続を容易とすることができることから、組み立て作業を効率化を図ることができる。
【0045】
さらに、温度環境が変化した場合であっても、振動子の電極と基板側の接続部との間の接触抵抗を一定に維持することが可能となるため、ユニット基板の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】振動子とその支持構造を示す斜視図、
【図2】(A)は、図1のI−I線断面図、(B)は図1の平面図、
【図3】振動子の他の支持構造を示す斜視図、
【図4】本発明の実施の形態として振動子の電極と基板の接続部との接続を示す斜視図、
【図5】従来の振動子の振動装置を示す分解斜視図
【図6】従来の振動子の支持装置を示す断面図、
【図7】従来の振動子の支持装置を示す断面図、
【符号の説明】
11 振動子
11a,11b,11c 振動腕
11d 基端部
12 弾性部材
15,25 基板
16,26 接続部
17 支持部材
20 押え部材
21 受け部材
23 弾性コネクタ
23a 弾性押圧部材
23b 配線導体
E 駆動又は検出用の電極

Claims (4)

  1. 駆動及び検出用の電極が設けられた振動子が、支持部材を介して基板に形成された切欠部内に支持されている振動子の支持装置において、
    前記振動子の電極と、前記基板に設けられた接続部とが、弾性コネクタに形成された配線導体を介して導通接続されており、この弾性コネクタが前記支持部材により前記電極および接続部に押圧されていることを特徴とする振動子の支持装置。
  2. 前記振動子が、前記切欠部内において基板の板厚寸法内に納められている請求項1記載の振動子の支持装置。
  3. 前記振動子と前記支持部材との間に弾性部材が介在しており、前記弾性コネクタが、前記基板と前記支持部材との間および前記振動子と前記支持部材との間に介在しており、前記支持部材が前記基板に固定されている請求項1または2記載の振動子の支持装置。
  4. 前記振動子の表面と前記支持部材との間に位置する前記弾性部材の高さ寸法よりも、前記弾性コネクタの高さ寸法の方が大きい請求項3記載の振動子の支持装置。
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